WO2024014657A1 - D-알룰로스 결정 제조방법 - Google Patents

D-알룰로스 결정 제조방법 Download PDF

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WO2024014657A1
WO2024014657A1 PCT/KR2023/004706 KR2023004706W WO2024014657A1 WO 2024014657 A1 WO2024014657 A1 WO 2024014657A1 KR 2023004706 W KR2023004706 W KR 2023004706W WO 2024014657 A1 WO2024014657 A1 WO 2024014657A1
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allulose
crystals
temperature
mother liquor
crystallization reaction
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PCT/KR2023/004706
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이창선
백선화
장연옥
조승우
강정원
송은범
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대상 주식회사
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07H—SUGARS; DERIVATIVES THEREOF; NUCLEOSIDES; NUCLEOTIDES; NUCLEIC ACIDS
    • C07H3/00—Compounds containing only hydrogen atoms and saccharide radicals having only carbon, hydrogen, and oxygen atoms
    • C07H3/02—Monosaccharides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07B—GENERAL METHODS OF ORGANIC CHEMISTRY; APPARATUS THEREFOR
    • C07B2200/00—Indexing scheme relating to specific properties of organic compounds
    • C07B2200/13—Crystalline forms, e.g. polymorphs

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing D-allulose crystals, and more specifically, to a method for producing D-allulose crystals having a cubic crystal structure and a uniform particle size distribution of crystal particles.
  • D-allulose is an epimer of carbon 3 of fructose and is also called D-psicose. D-allulose has 70% sweetness compared to sugar (Oshima 2006), but has only 0.3% energy, so it is a functional monosaccharide that can be applied as a low-calorie sweetener for diet foods (Matsuo et al. 2002). In addition, D-allulose has the function of suppressing glucose absorption and blood sugar, so it can be applied to foods and beverages for diabetic patients, foods and beverages for oral administration, and by inhibiting the activity of enzymes involved in lipid synthesis in the liver. Because it can suppress abdominal fat accumulation, it can be used in various functional foods such as health foods (Matsuo et al. 2001; Iida et al. 2008; Hayashi et al. 2010; Hossain et al. 2011).
  • allulose is a good substitute for sugar, but since it belongs to rare sugars, which are monosaccharides that exist extremely rarely in nature, a method to efficiently produce allulose is needed to apply it to the food industry.
  • the most efficient allulose production method for industrialization is to convert fructose to allulose using D-allulose 3-epimerase. Since the reaction solution containing D-allulose produced by the enzyme reaction is a low-purity product containing about 30% (w/w) of D-allulose solid content, it contains high purity D- of 98% (w/w) or more. In order to produce psicose crystal particles, it is required to prepare a high purity allulose-containing mother liquid using chromatography.
  • crystallization methods for saccharides are broadly classified into two types: the first is a concentrated crystallization method, and the second is a cooling crystallization method. Both methods are crystallization methods of saccharides and use the principle of inducing crystal growth within a metastable zone in a supersaturated state.
  • the crystallization method of saccharides is carried out in a metastable zone, which means that the concentration of the solution ranges from the equilibrium concentration, that is, the saturation concentration to the lowest supersaturation at which crystals spontaneously precipitate. At the concentration in this region, crystallization phenomena such as crystal nucleation do not occur, but if new crystals are added from the outside, crystal growth occurs and the crystal size increases.
  • D-allulose shows little change in the crystal formation rate and crystal growth rate even in the supersaturated concentration range, so it can be classified as a saccharide under difficult particle size growth and crystallization conditions.
  • the size of the crystal grain size is known to be an important factor in the sugar crystallization industry, and when the crystals produced in a mass production system are atomized crystals, separation of the crystals and mother liquor in a crystal centrifuge equipment is easy due to the viscosity in the supersaturated concentration range. Since this is not done, the purity of the final product decreases due to the remaining mother liquor, and the remaining mother liquor causes agglomeration of crystals during drying, which reduces the packaging amount of the final product or reduces marketability. Therefore, these fine particle crystals are not suitable for mass production.
  • Republic of Korea Patent Publication No. 10-1189640 discloses that a D-psicose solution is purified by treating it with a decolorizer and an ion exchange resin to obtain a purified D-psicose solution, and the purified D-psicose solution is purified. Concentrating the D-psicose solution; And D-psicose seed was added to the concentrated D-psicose solution in an amount of 0.01 to 1% (g/g) of the total amount of D-psicose in the concentrated D-psicose solution to form a metastable region (metastable).
  • a method for producing D-psicose crystals includes the step of crystallizing D-psicose in a supersaturated state.
  • Republic of Korea Patent Publication No. 10-1749527 includes the steps of removing impurities from the D-psicose solution to obtain a purified D-psicose solution; Concentrating the purified D-psicose solution to 80 Brix (%) to 85 Brix (%); Cooling the concentrated D-psicose solution to 30°C to 40°C at a rate of 5°C to 20°C per hour through a heat exchanger; Obtaining a mask by crystallizing the D-psicose solution at 30°C to 40°C within the range of 30°C to 40°C; And a method for producing D-psicose crystals is disclosed, including the step of main crystallization at 30°C to 40°C using the seed crystallized mask.
  • the present invention was derived from the conventional technical background, and the purpose of the present invention is to provide a method for producing allulose crystals that have a cubic crystal structure and a uniform particle size distribution of crystal particles.
  • another object of the present invention is to provide a method for producing D-allulose crystals with improved crystallization yield.
  • the inventors of the present invention found that when a seed crystal was added to a D-allulose-containing mother liquid and induced crystallization while cooling from normal pressure to the temperature gradient conditions of the metastable zone, crystals with a long needle-like structure were generated and during the crystallization process.
  • the problem is that the grown crystals are broken and micronized, resulting in non-uniform particle size distribution, and when the allulose crystals generated after the crystallization reaction is completed and the remaining mother liquor are separated by a method such as filtration, the filtration performance is significantly reduced due to the fine crystal particles. was confirmed.
  • the inventors of the present invention found that when allulose crystals are derived from a D-allulose-containing mother liquid, using reduced pressure conditions in a predetermined range, they have a cubic crystal structure, the average particle size of the crystal particles is large, and the particle size distribution is uniform.
  • the present invention was completed after confirming that it was possible to produce allulose crystals.
  • the inventors of the present invention used distilled water or low-concentration mother liquor from the time fine crystals were formed until the end of the crystallization reaction to suppress the formation of new crystal nuclei when inducing allulose crystals from the D-allulose-containing mother liquor.
  • the present invention was completed after confirming that the crystallization yield was significantly increased when added in a predetermined amount.
  • supersaturated state used in this specification refers to an unstable state in which the solute is dissolved beyond the dissolving capacity of the solvent, and means a state in which the solute can precipitate as a solid. Therefore, a supersaturation state is necessary to separate the solute in solution by crystallization. In general, the supersaturation state of a solution can be affected by external conditions, impurities, temperature, concentration, pH, etc.
  • the term “supersaturated state in the metastable zone” means a state in which the concentration of the solution ranges from the saturation concentration to the lowest supersaturated concentration at which crystals spontaneously precipitate. In this concentration range, crystallization phenomena such as crystal nucleation do not occur, but since it is a supersaturated concentration, when crystals are added from the outside, crystal growth occurs spontaneously and the crystal size increases. That is, when seed crystals are added to a solution with a saturation concentration or higher to generate crystals, the seed crystals grow in the metastable region to form large crystals.
  • the supersaturated state of the “unstable zone” refers to a state in which the concentration of the solution exceeds the minimum supersaturated concentration. At concentrations in this range, spontaneous nucleation occurs.
  • Brix a unit of solid concentration of D-allulose-containing mother liquor, can be used interchangeably with weight percent.
  • the present invention provides a temperature gradient that reduces the temperature of the D-allulose-containing mother liquor from the initial temperature T i to the final temperature T f after adding D-allulose seed crystals to the D-allulose-containing mother liquor.
  • a method for producing D-allulose crystals is provided, including the step of proceeding with a crystallization reaction under the following conditions.
  • the initial solid concentration of the D-allulose-containing mother liquid is preferably 70 to 86 Brix, considering the smooth crystallization of D-allulose, the size of D-allulose crystal particles, and the economic efficiency of the crystal reaction. And, it is more preferable that it is 75 to 85 Brix.
  • the initial D-allulose content of the D-allulose-containing mother liquid is based on the total weight of saccharides in the mother liquid, considering the size of the D-allulose crystal particles, purity of the D-allulose crystal particles, and economic efficiency of the crystal reaction. It is preferably 94 to 99% by weight, and more preferably 95 to 98% by weight.
  • the saccharide composition of the D-allulose-containing mother liquor consists of 95-98% by weight of allulose, 0.1-2% by weight of fructose, 0.5-4% by weight of glucose, and the remaining amount of other saccharides, based on the total weight of saccharides in the mother liquor. It can be.
  • the D-allulose-containing mother liquor used as a starting material in the present invention can be prepared by various known methods.
  • the D-allulose-containing mother liquor is prepared by reacting fructose syrup with D-allulose 3-epimerase to prepare an allulose-containing solution, followed by decolorization, desalting, and chromatography. It can be manufactured through fractionation and concentration processes.
  • the D-allulose seed crystals are fine crystals made of high purity D-allulose, and the D-allulose purity of the D-allulose seed crystals is preferably 99 to 100% (w/w), and 99.5 to 99.5%. It is more preferable that it is 100% (w/w).
  • the average particle size of the D-allulose seed crystals is not greatly limited and can be selected from 50 to 300 ⁇ m, preferably 100 to 250 ⁇ m.
  • the amount of D-allulose seed added is not greatly limited, and considering the size of D-allulose crystal particles and the economic efficiency of the crystal reaction, it is 0.1 to 5.0% (w/w) based on the total solid weight of the D-allulose-containing mother liquid. It is preferable, and 0.2 to 3.0% (w/w) is more preferable.
  • the initial temperature T i for the crystallization reaction is preferably selected from 30 to 55°C, considering the smooth crystallization of D-allulose, the size of D-allulose crystal particles, and the economic efficiency of the crystallization reaction. It is more preferred to select at 52°C. If the initial temperature T i is less than 30°C, there is a risk of solidification occurring during the crystallization reaction, which may lower the degree of crystallinity (or crystallization yield), making industrial application difficult. In addition, when the initial temperature T i exceeds 55°C, the solid concentration of the D-allulose-containing mother liquid corresponding to the supersaturated state is too large, so processes such as stirring may not be smooth.
  • the final temperature T f for the crystallization reaction may be selected at a temperature 1 to 15°C lower than the initial temperature T i , and is preferably selected at a temperature 1 to 10°C lower than the initial temperature T i .
  • the structure is mainly cubic. It is possible to obtain crystal particles with uniform particle size distribution.
  • the temperature gradient that reduces the temperature of the D-allulose-containing mother liquid from the initial temperature T i to the final temperature T f to induce the crystallization reaction is at least a temperature condition corresponding to the supersaturation state of the metastable zone. and preferably consists of temperature conditions maintained in a supersaturated state in the metastable zone during the crystallization reaction.
  • the crystallization reaction time is not significantly limited, and considering the size of the D-allulose crystal particles and the economic efficiency of the crystal reaction, it is preferably selected from 35 to 100 hr, and more preferably from 40 to 80 hr. do.
  • the crystallization reaction is carried out under reduced pressure conditions of 10 to 100 millibars (mb), preferably 30 to 80 millibars (mb).
  • the generated crystal particles mainly have a cubic structure and the particle size distribution of the crystal particles becomes uniform, so that filtration is required when separating the generated crystals from the mother liquid after the crystallization reaction is completed. The smooth and flowability of the obtained crystal particles is improved.
  • the method for producing D-allulose crystals according to the present invention preferably further includes the step of adjusting the concentration of the D-allulose-containing mother liquid by adding a diluting solution to the D-allulose-containing mother liquid while the crystallization reaction is in progress.
  • a diluting solution to the D-allulose-containing mother liquid while the crystallization reaction is in progress.
  • the addition of the diluted solution can be done by adding water alone, adding a diluted mother solution with a lower solid concentration than the D-allulose-containing mother solution alone, or alternating water and a D-allulose-containing solution. It can be performed by investing in .
  • the solids concentration of the D-allulose-containing diluted mother liquid used as the dilution solution is 10 to 45 Brix (Brix) to prevent a rapid change in the concentration of the D-allulose-containing mother liquid during the crystallization reaction at the time of addition of the diluted solution. ) is preferable.
  • the saccharide composition of the D-allulose-containing solution alternately added with water is the same as the saccharide composition of the D-allulose-containing mother liquid.
  • the solid concentration of the D-allulose-containing solution alternately added with water is 55 to 80 Brix (Brix) to prevent a rapid change in the concentration of the D-allulose-containing mother solution in progress of the crystallization reaction at the time of addition. ) is preferable.
  • the reason for adjusting the concentration of the D-allulose-containing mother liquid by adding a diluted solution while the crystallization reaction is in progress is to suppress the formation of new microcrystals or remove the formed microcrystals during the crystallization reaction.
  • the D-allulose-containing mother liquid is in a supersaturated state in the unstable region due to various factors such as reaction temperature, reaction pressure, crystal precipitation, etc.
  • D-allulose microcrystals such as crystal nuclei are formed and the microcrystals They have a negative effect on the structure of crystal particles, the size of crystal particles, and the particle size distribution of crystal particles.
  • the diluted solution is added to the D-allulose-containing mother liquid at least once, preferably multiple times (for example, 2 to 4 times).
  • the point at which new microcrystals are generated during the crystallization reaction is determined by various factors such as D-allulose-containing mother liquid conditions, temperature gradient conditions, stirring conditions, and pressure conditions, and is generally determined by D-allulose-containing mother liquid conditions. Approximately 20 to 24 hr has elapsed from the time the D-allulose seed crystals are added and the crystallization reaction proceeds under a temperature gradient.
  • the structure and particle size distribution of the crystal particles can be controlled and the precipitation rate of the crystal particles can be significantly increased.
  • the total amount of diluted solution added is not greatly limited, and considering efficient concentration control of D-allulose-containing mother liquid and smooth suppression or removal of fine crystals, D-allulose content is It is preferably 1 to 10% (w/w) relative to the total weight of the mother liquid, and more preferably 2 to 8% (w/w).
  • the method for producing D-allulose crystals according to the present invention may further include the step of washing, dehydrating, and drying the mother liquor after the crystallization reaction is completed to obtain D-allulose crystal particles.
  • the process of washing and dehydrating the mother liquor can be implemented by various known methods, such as centrifugation and reduced pressure filtration using filter paper or filter cloth. Additionally, the drying process can be implemented by various known methods such as hot air drying, spray drying, and fluidized bed drying.
  • the D-allulose crystal particles produced by the D-allulose crystal production method according to the present invention have a cubic crystal structure and exhibit a relatively uniform particle size distribution, thereby providing excellent flowability.
  • the average particle size of the D-allulose crystal particles produced by the D-allulose crystal production method according to the present invention is 200 to 500 ⁇ m, preferably 220 to 460 ⁇ m.
  • the D-allulose crystal particles produced by the D-allulose crystal production method according to the present invention have a D-allulose purity of 98.5% (w/w) or more (for example, 98.5 to 100%), preferably is 99% (w/w) or more (for example, 99 to 99.9%).
  • D-allulose crystal particles produced by the method of the present invention have a cubic crystal structure, and the particle size distribution of the crystal particles is uniform, resulting in good flowability.
  • the crystallization yield can be greatly improved.
  • Figure 1 shows the saturation curve and supersaturation curve of D-allulose crystals.
  • Figure 2 is a photograph taken under a microscope of D-allulose crystals obtained in Preparation Example 6 of the present invention.
  • Figure 3 is a photograph taken under a microscope of D-allulose crystals obtained in Preparation Example 13 of the present invention.
  • Example 1 Preparation of mother liquor containing D-allulose
  • An allulose epimerase variant derived from Flavonifractor plautii was added to the fructose-containing solution, reacted, and then centrifuged to recover the supernatant.
  • the present invention refers to Korean Patent Publication No. 10-2021-0132405 and Korean Patent Registration No. 10-2254411. Afterwards, the supernatant was treated with activated carbon to decolorize, passed through an ion exchange resin column to desalt, and a purified low-purity allulose-containing solution was obtained.
  • the low-purity allulose-containing solution was concentrated to a solid concentration of about 50 Brix, and the low-purity allulose-containing concentrate was passed through an ion exchange resin (MUK 555) substituted with calcium groups for chromatographic separation.
  • a solution containing high purity D-allulose was obtained.
  • the high-purity D-allulose-containing solution was concentrated to prepare high-purity D-allulose-containing mother liquors with various solid concentrations.
  • the solid concentration of the D-allulose-containing mother liquid is 70 to 84 Brix, and the sugar composition is 95.6% (w/w) allulose, 1.0% (w/w) fructose, and 1.9% glucose based on the total weight of solid content. %(w/w) and others are 1.5%(w/w).
  • D-allulose seed crystals were prepared using a D-allulose-containing mother liquor with a solid concentration of 84 Brix. Specifically, the mother liquid is placed in a crystallizer equipped with a stirring and temperature control system, the temperature of the mother liquid is adjusted to 40°C, and then more than 95% of the reagent grade allulose particle product is added at an amount of about 3 weight compared to the solid content of the mother liquid. % amount and stirred at a speed of about 100 rpm to evenly disperse the reagent grade allulose particle product.
  • the stirring speed was reset to about 1.0-1.5 rpm and the crystallization reaction was performed under temperature gradient conditions in which the temperature of the mother liquid was slowly cooled from 40°C to 10°C over about 70 hr.
  • the solution in which the crystallization reaction was performed was washed and dehydrated using centrifugation and dried at about 50°C for 6 hr to obtain D-allulose seed crystals.
  • the obtained D-allulose seed crystals had an average crystal particle size of about 150 ⁇ m and an allulose content of 99.9% by weight in the saccharide composition.
  • Example 2 The D-allulose seed crystals obtained in Example 2 were dissolved by adding small amounts to distilled water under specific temperature conditions selected from 30 to 80°C, and the concentration at which they no longer dissolved was defined as the saturation concentration at that temperature.
  • Figure 1 shows the saturation curve and supersaturation curve of D-allulose crystals.
  • Example 4 Crystallization experiment of D-allulose-containing mother liquid under normal pressure conditions and temperature gradient in the metastable region
  • Allulose crystals were prepared using mother liquors containing D-allulose at various solids concentrations. Specifically, the mother liquid was placed in a crystallizer equipped with a stirring and temperature control system and the temperature of the mother liquid was adjusted to a specific temperature, and then the D-allulose seed crystals obtained in Example 2 were added to the crystallizer at a predetermined ratio compared to the solid content of the mother liquid. It was added in an amount and stirred at a speed of about 100 rpm to evenly disperse the D-allulose seeds.
  • the stirring speed is reset to about 1.0 ⁇ 1.5 rpm and the mother liquid is cooled over a predetermined time under normal pressure conditions or maintained at the cooled temperature for a predetermined time to proceed with the crystallization reaction under temperature gradient conditions corresponding to the metastable region. did.
  • the solution in which the crystallization reaction was performed was washed and dehydrated using centrifugation and dried at about 50°C for 6 hr to obtain D-allulose crystals.
  • Tables 1 and 2 below show the crystallization reaction conditions used in Example 4 and the analysis results of the obtained D-allulose crystals.
  • Figure 2 is a photograph taken under a microscope of D-allulose crystals obtained in Preparation Example 6 of the present invention.
  • Example 5 Preliminary experiment for setting pressure conditions during crystallization process according to temperature gradient in the metastable region of D-allulose-containing mother liquor
  • a D-allulose-containing mother liquor with a solid concentration of 81 Brix was placed in a crystallizer equipped with a stirring, temperature control, and pressure control system, and the temperature of the mother liquor was adjusted to 45°C, followed by Example 2.
  • the D-allulose seed crystals obtained in were added in an amount of 0.5% by weight based on the solid content of the mother liquid, and stirred at a speed of about 100 rpm to evenly disperse the D-allulose seed crystals. Afterwards, the stirring speed was reset to about 1.0 to 1.5 rpm and the internal pressure of the crystallizer was gradually reduced from 250 millibars (mb) to 50 millibars (mb) to observe crystal formation in the allulose-containing mother liquid. Whitening occurred as the growth of D-allulose crystals began under near-vacuum conditions where the internal pressure of the crystallizer was less than 100 millibars (mb).
  • Example 6 Crystallization experiment of D-allulose-containing mother liquor under reduced pressure conditions and temperature gradient in the metastable region
  • Allulose crystals were prepared using mother liquors containing D-allulose at various solids concentrations. Specifically, the mother liquor was placed in a crystallizer equipped with a stirring, temperature control, and pressure control system, and the temperature of the mother liquor was adjusted to a specific temperature, and then the D-allulose seed crystals obtained in Example 2 were added to the solids of the mother liquor. A predetermined amount was added and stirred at a speed of about 100 rpm to evenly disperse the D-allulose seed crystals.
  • the stirring speed is reset to about 1.0 to 1.5 rpm and the mother liquid is cooled over a predetermined time while adjusting the decompression conditions to a predetermined range or maintained at the cooled temperature for a predetermined time to create a temperature gradient condition corresponding to the metastable region.
  • the crystallization reaction was carried out as follows. Afterwards, the solution in which the crystallization reaction was performed was washed and dehydrated using centrifugation and dried at about 50°C for 6 hr to obtain D-allulose crystals. Tables 3 and 4 below show the crystallization reaction conditions used in Example 6 and the analysis results of the obtained D-allulose crystals.
  • Production example 10 Production example 11 Production Example 12 Crystallization reaction conditions Mother liquor solids concentration (Brix) 80.7 80.8 80.4 Seedling addition amount (% by weight compared to mother liquor solids) 1.0 3.0 2.0 Pressure (millibar, mb) 50 ⁇ 60 50 ⁇ 60 50 ⁇ 60 Temperature gradient (°C) 46.0 ⁇ 45.0 46.0 ⁇ 45.0 46.0 ⁇ 45.0 reaction time (hr) 72 72 72 Crystal particle analysis results Average particle size ( ⁇ m) 325.0 275.0 275.0 Particle size standard deviation ( ⁇ m) 80.0 92.5 80.0 Precipitation rate (%) 16.7 18.2 28.4 crystal grain shape Mainly cubic type Mainly cubic type Mainly cubic type Mainly cubic type Mainly cubic type
  • Example 7 Crystallization experiment of D-allulose-containing mother liquor under reduced pressure conditions, temperature gradient in metastable region, and addition of diluted solution
  • Allulose crystals were prepared using mother liquors containing D-allulose at various solids concentrations. Specifically, the mother liquor was placed in a crystallizer equipped with a stirring, temperature control, and pressure control system, and the temperature of the mother liquor was adjusted to a specific temperature, and then the D-allulose seed crystals obtained in Example 2 were added to the solids of the mother liquor. A predetermined amount was added and stirred at a speed of about 100 rpm to evenly disperse the D-allulose seed crystals.
  • the stirring speed is reset to about 1.0 to 1.5 rpm and the mother liquid is cooled over a predetermined time while adjusting the decompression conditions to a predetermined range or maintained at the cooled temperature for a predetermined time to create a temperature gradient condition corresponding to the metastable region.
  • the crystallization reaction was carried out as follows. In addition, during the crystallization reaction, only distilled water is used as a dilution solution from the time when fine crystals are formed (when the crystallization reaction time is about 24 hr) until the end of the crystallization reaction, and D- with a solid content of 35 Brix is used.
  • the solution in which the crystallization reaction was performed was washed and dehydrated using centrifugation and dried at about 50°C for 6 hr to obtain D-allulose crystals.
  • Table 5 below shows the crystallization reaction conditions used in Example 7 and the analysis results of the obtained D-allulose crystals.
  • Figure 3 is a photograph taken under a microscope of D-allulose crystals obtained in Preparation Example 13 of the present invention.
  • seed crystals are added to the allulose-containing mother liquid and crystallization is induced by cooling under reduced pressure conditions to the temperature gradient conditions of the metastable zone, and a diluted solution is added in the middle of the crystallization reaction to change the mother liquid.
  • concentration was adjusted and the formation of new microcrystals was suppressed, crystals with a cubic structure were generated, and the phenomenon of breaking of the grown crystals during the crystallization process was minimized, resulting in a uniform particle size distribution.
  • Preparation Example 13 when the solution in which the crystallization reaction was completed was filtered through centrifugation, etc., there was almost no decrease in filtration performance.
  • the D-allulose crystal particles prepared in Preparation Example 13 had an average particle size within an appropriate range and a uniform particle size distribution, showing good flowability even after drying.
  • Production example 10 Production example 11 Production example 12 Crystallization reaction conditions Mother liquor solids concentration (Brix) 81.9 80.1 80.5 Seedling addition amount (% by weight compared to mother liquor solids) 0.3 0.3 0.25 Pressure (millibar, mb) 50 ⁇ 70 50 ⁇ 70 50 ⁇ 70 Temperature gradient (°C) 48.6 ⁇ 46.0 47.0 ⁇ 45.0 51.5 ⁇ 49.5 Diluted solution input conditions Distilled water added only Injection of diluted mother liquor containing D-allulose with a solid content of 35 Brix Distilled water and mother liquor containing D-allulose with a solid content of 70 Brix are added alternately.

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Abstract

본 발명은 D-알룰로스 함유 모액에 D-알룰로스 종정을 첨가한 후, D-알룰로스 함유 모액의 온도를 최초 온도 Ti에서 최종 온도 Tf로 감소시키는 온도 구배 하에서 결정화 반응을 진행시키는 단계를 포함하는 D-알룰로스 결정 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 D-알룰로스 결정 제조방법에서 온도 구배는 준안정 영역(metastable zone)의 과포화 상태에 해당하는 온도 조건을 포함하고, 결정화 반응은 10~100 밀리바(mb)의 감압 조건에서 이루어진다. 본 발명의 방법으로 제조된 D-알룰로스 결정 입자는 대부분 입방정계형 결정 구조를 가지며, 결정 입자의 입도 분포가 균일하여 흐름성이 양호하다. 또한, 본 발명의 방법으로 D-알룰로스 결정을 제조하는 경우 결정화 수율을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

D-알룰로스 결정 제조방법
본 발명은 D-알룰로스 결정 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 입방정계형 결정 구조를 가지며, 결정 입자의 입도 분포가 균일한 D-알룰로스 결정을 제조하는 방법에 관한 것이다.
D-알룰로스(D-allulose)는 과당(fructose)의 3번 탄소의 에피머(epimer)로서 D-사이코스(D-psicose)로도 불린다. D-알룰로스(D-allulose)는 설탕과 비교했을 때 70% 감미도를 갖지만(Oshima 2006) 에너지는 0.3% 밖에 없으므로 다이어트 식품의 저칼로리 감미료로 적용 가능한 기능성 단당류이다(Matsuo et al. 2002). 또한, D-알룰로스(D-allulose)는 포도당 흡수 및 혈당을 억제하는 기능이 있어 당뇨병 환자용 음식품, 수신용 음식품 등에 응용할 수 있으며, 간에서의 지질합성에 관여하는 효소 활성의 억제를 통해 복부 지방 축적을 억제 할 수 있으므로 건강식품 등 여러 기능성 식품 등에 사용할 수 있다(Matsuo et al. 2001; Iida et al. 2008; Hayashi et al. 2010; Hossain et al. 2011).
위와 같은 특징으로 알룰로스는 설탕을 대체 할 수 있는 좋은 소스이나 자연계에 극히 드물게 존재하는 단당류인 희소당에 속하기 때문에 식품산업에 적용하기 위해서는 알룰로스를 효율적으로 생산하는 방법이 필요하다. 산업화에 가장 효율적인 알룰로스 생산방법은 D-알룰로스 3-에피머화 효소를 이용하여 과당을 알룰로스로 전환하는 방법이다. 효소 반응에 의해 생산된 D-알룰로스를 포함하는 반응액은 약 30%(w/w)의 D-알룰로스 고형분을 포함하는 저순도 제품이기 때문에, 98%(w/w) 이상의 고순도 D-사이코스 결정입자를 제조하기 위해서는 크로마토그래피를 사용하여 고순도의 알룰로스 함유 모액을 제조하는 것이 요구되어진다.
통상적으로 당류의 결정화 방법은 크게 두 가지로 분류되는데 첫 번째는 농축결정화 방법이고, 두 번째는 냉각결정화 방법이다. 두 방법 모두 당류의 결정화 방법으로 과포화 상태의 준안정영역(metastable zone) 구간 내에서, 결정의 성장을 유도하는 원리를 이용한다. 통상적으로 당류의 결정화 방법은 준안정영역(metastable zone)에서 이루어지는데, 이러한 상태는 용액의 농도가 평형 농도, 즉, 포화 농도로부터 자발적으로 결정을 석출하는 최저 과포화까지의 범위를 의미한다. 이 영역의 농도에서 결정핵형성(crystal nucleation)과 같은 결정화 현상은 일어나지 않으나, 외부로부터 신규 결정을 넣어주면 결정성장(crystal growth)이 일어나서 결정 크기가 증가된다. 즉, 결정을 생성하기 위해 포화농도 이상인 용액에 종정(seed)이 투입되면, 준안정 영역(metastable zone)에서 종정이 성장하여 결정의 성장이 이루어진다. 결정화용 용액이 과도하게 농축되거나 급격하게 냉각되면 준안정 영역(metastable zone)을 초과하는 과포화 상태가 되어, 결정의 성장이 아닌 신규 결정핵 생성이 발생되어 개체수 증가로 인한 결정성장의 저해요인이 되므로 결정성장을 위해서는 온도조건과 초기 진입 과포화 농도가 중요하다.
D-알룰로스는 과포화농도범위에서도 결정생성속도와 결정성장속도에서 거의 변화를 보이지 않는 특성을 나타내므로 입도성장 결정화 조건이 어려운 당류로 분류 할 수 있다. 통상적으로 당류 결정화 산업에서 결정입도의 크기는 중요한 인자로 알려져 있으며, 대량 생산시스템에서 생성된 결정이 미립화 결정일 경우, 결정원심분리장치 설비에서 결정과 모액의 분리가 과포화농도구간의 점도로 인해 용이하게 이루어지지 않으므로 잔존하는 모액의 영향으로 최종 제품의 순도가 떨어지게 하며 또한 잔존된 모액은 건조시 결정 상호간의 뭉쳐지는 현상을 발생시켜 최종 제품 포장량이 적어지거나 상품성이 떨어진다. 따라서 이러한 미립자 결정은 대량생산방법으로 적합하지 않다.
D-알룰로스 결정 제조방법과 관련하여, 대한민국 등록특허공보 제10-1189640호에는 D-사이코스 용액을 탈색제 및 이온교환수지로 처리하여 정제하고 정제된 D-사이코스 용액을 수득하고, 정제된 D-사이코스 용액를 농축시키는 단계; 및 농축된 D-사이코스 용액에 D-사이코스 종정(seed)을 상기 농축된 D-사이코스 용액 중의 D-사이코스 총량의 0.01 내지 1%(g/g)로 첨가하여 준안정 영역(metastable zone)의 과포화 상태에서 D-사이코스를 결정화시키는 단계를 포함하는, D-사이코스 결정을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 대한민국 등록특허공보 제10-1749527호에는 D-사이코스 용액으로부터 불순물을 제거하여 정제된 D-사이코스 용액을 수득하는 단계; 상기 정제된 D-사이코스 용액을 80 Brix(%) 내지 85 Brix(%)로 농축시키는 단계; 상기 농축된 D-사이코스 용액을 시간당 5℃ 내지 20℃씩 30℃ 내지 40℃로 열 교환기를 통하여 냉각하는 단계; 상기 30℃ 내지 40℃의 D-사이코스 용액을 30℃ 내지 40℃ 범위 내에서 결정화하여 마스켓을 수득하는 단계; 및 상기 종결정화된 마스켓을 이용하여 30℃ 내지 40℃에서 본결정화 시키는 단계를 포함하는, D-사이코스 결정을 제조하는 방법이 개시되어 있다.
본 발명은 종래의 기술적 배경 하에서 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 입방정계형 결정 구조를 가지며, 결정 입자의 입도 분포가 균일한 알룰로스 결정의 제조방법을 제공하는 데에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 결정화 수율이 개선된 D-알룰로스 결정의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 발명자들은 D-알룰로스 함유 모액에 종정을 첨가하고 상압에서 준안정 영역(metastable zone)의 온도 구배 조건으로 냉각하면서 결정화를 유도하는 경우 긴 침상형 구조를 가진 결정이 생성되고 결정화 과정에서 성장된 결정이 깨져 미분화되고 그로 인해 입도 분포가 불균일하며, 결정화 반응이 완료된 후 생성된 알룰로스 결정과 남은 모액을 여과 등의 방법으로 분리하는 경우 미세 결정 입자로 인해 여과 성능이 현저하게 떨어진다는 문제점을 확인하였다. 본 발명의 발명자들은 이를 해결하기 위해 D-알룰로스 함유 모액으로부터 알룰로스 결정을 유도할 때 소정 범위의 감압 조건을 사용하면 입방정계형 결정 구조를 가지고, 결정 입자의 평균 입도가 크며 입도 분포가 균일한 알룰로스 결정의 제조가 가능하다는 점을 확인하고 본 발명을 완성하였다. 또한, 본 발명의 발명자들은 D-알룰로스 함유 모액으로부터 알룰로스 결정을 유도할 때 신규 결정핵 생성을 억제하기 위해 미세 결정이 생성되는 시점부터 결정화 반응이 종료될 때까지 증류수나 낮은 농도의 모액을 소정의 양으로 첨가하는 경우 결정화 수율이 현저하게 증가한다는 점을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 명세서에서 사용되는 용어인 "과포화 상태"는 용질이 용매의 용해능력 이상으로 용해되어 있는 불안정한 상태로서, 용질이 고체로 석출될 수 있는 상태를 의미한다. 따라서, 결정화에 의해 용액 중의 용질을 분리하기 위해서는 과포화 상태가 반드시 필요하다. 일반적으로 용액의 과포화 상태는 외부조건, 불순물, 온도, 농도, pH 등에 의해 영향을 받을 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어인 "준안정 영역(metastable zone)의 과포화 상태"는 용액의 농도가 포화 농도로부터 자발적으로 결정을 석출하는 최저 과포화 농도까지의 범위에 있는 상태를 의미한다. 이 영역의 농도에서는 결정핵 형성(crystal nucleation)과 같은 결정화 현상은 일어나지 않으나, 과포화 농도이므로, 외부로부터 결정을 넣어주면 자발적으로 결정 성장(crystal growth)이 일어나서 결정 크기가 증가된다. 즉, 결정을 생성하기 위해 포화 농도 이상인 용액에 종정(seed crystal)이 투입되면, 준안정 영역에서 종정이 성장하여 큰 결정을 형성한다.
본 명세서에서 사용되는 용어인 "불안정 영역(unstable zone)"의 과포화 상태는 용액의 농도가 최저 과포화 농도를 초과하는 범위에 있는 상태를 의미한다. 이 영역의 농도에서는 자발적인 결정핵 생성이 발생한다.
본 명세서에서 D-알룰로스 함유 모액의 고형분 농도 단위인 브릭스(Brix)는 중량%와 서로 호환되어 사용될 수 있다.
상기 목적을 해결하기 위하여, 본 발명은 D-알룰로스 함유 모액에 D-알룰로스 종정을 첨가한 후, D-알룰로스 함유 모액의 온도를 최초 온도 Ti에서 최종 온도 Tf로 감소시키는 온도 구배 하에서 결정화 반응을 진행시키는 단계를 포함하는 D-알룰로스 결정의 제조방법을 제공한다.
본 발명에서 상기 D-알룰로스 함유 모액의 최초 고형분 농도는 D-알룰로스의 원활한 결정화, D-알룰로스 결정 입자의 크기, 결정 반응의 경제성 등을 고려할 때 70~86 브릭스(Brix)인 것이 바람직하고, 75~85 브릭스(Brix)인 것이 더 바람직하다. 또한, D-알룰로스 함유 모액의 최초 D-알룰로스 함량은 D-알룰로스 결정 입자의 크기, D-알룰로스 결정 입자의 순도, 결정 반응의 경제성 등을 고려할 때 모액 내 당류 전체 중량을 기준으로 94~99 중량%인 것이 바람직하고, 95~98 중량%인 것이 더 바람직하다. 예를 들어, D-알룰로스 함유 모액의 당류 조성은 모액 내 당류 전체 중량을 기준으로 알룰로스 95~98 중량%, 과당 0.1~2 중량%, 포도당 0.5~4 중량% 및 잔량으로 기타 당류로 구성될 수 있다. 본 발명에서 출발 물질로 사용되는 D-알룰로스 함유 모액은 공지된 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, D-알룰로스 함유 모액은 과당 시럽을 D-알룰로스 3-에피머화 효소(D-allulose 3-epimerase)와 반응시켜 알룰오스 함유 용액을 제조하고, 탈색, 탈염, 크로마토그래피에 의한 분획 및 농축 과정을 거쳐 제조될 수 있다.
본 발명에서, 상기 D-알룰로스 종정은 고순도의 D-알룰로스로 이루어진 미립 결정으로서, D-알룰로스 종정의 D-알룰로스 순도는 99~100%(w/w)인 것이 바람직하고 99.5~100%(w/w)인 것이 더 바람직하다. 또한, D-알룰로스 종정의 평균 입자 크기는 크게 제한되지 않으며 50~300 ㎛에서 선택될 수 있고 100~250 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 D-알룰로스 종정 첨가량은 크게 제한되지 않으며 D-알룰로스 결정 입자의 크기, 결정 반응의 경제성 등을 고려할 때 D-알룰로스 함유 모액의 고형분 전체 중량 대비 0.1~5.0%(w/w)인 것이 바람직하고, 0.2~3.0%(w/w)인 것이 더 바람직하다.
본 발명에서 상기 결정화 반응을 위한 최초 온도 Ti는 D-알룰로스의 원활한 결정화, D-알룰로스 결정 입자의 크기, 결정 반응의 경제성 등을 고려할 때 30~55℃에서 선택되는 것이 바람직하고 35~52℃에서 선택되는 것이 더 바람직하다. 최초 온도 Ti가 30℃ 미만인 경우 결정화 반응의 진행 과정에서 고결 현상이 발생할 염려가 있고, 그로 인해 결정화도(또는 결정화 수율)가 낮아져 산업화 적용에 어려움이 있을 수 있다. 또한, 최초 온도 Ti가 55℃를 초과하는 경우 과포화 상태에 해당하는 D-알룰로스 함유 모액의 고형분 농도가 너무 커서 교반 등의 공정이 원활하지 않을 수 있다. 본 발명에서 상기 결정화 반응을 위한 최종 온도 Tf는 최초 온도 Ti보다 1~15℃ 낮은 온도에서 선택될 수 있고, 최초 온도 Ti보다 1~10℃ 낮은 온도에서 선택되는 것이 바람직하다. 특히, 후술하는 바와 같이 결정화 반응이 10~100 밀리바(mb)의 진공 상태에 가까운 감압 조건에서 이루어지는 경우 최종 온도 Tf가 최초 온도 Ti보다 1~5℃ 낮은 온도에서 선택되더라도 주로 입방정계형의 구조를 가지고 입도 분포가 균일한 결정 입자를 얻을 수 있다. 본 발명에서 결정화 반응을 유도하기 위해 D-알룰로스 함유 모액의 온도를 최초 온도 Ti에서 최종 온도 Tf로 감소시키는 온도 구배는 적어도 준안정 영역(metastable zone)의 과포화 상태에 해당하는 온도 조건을 포함하고, 바람직하게는 결정화 반응을 진행하는 동안 준안정 영역(metastable zone)의 과포화 상태로 유지되는 온도 조건으로 구성된다.
본 발명에서 상기 결정화 반응 시간은 크게 제한되지 않으며, D-알룰로스 결정 입자의 크기, 결정 반응의 경제성 등을 고려할 때 35~100 hr에서 선택되는 것이 바람직하고 40~80 hr에서 선택되는 것이 더 바람직하다.
본 발명에서 상기 결정화 반응은 10~100 밀리바(mb), 바람직하게는 30~80 밀리바(mb)의 감압 조건에서 이루어진다. 결정화 반응이 진공 상태에 가까운 감압 조건에서 이루어지는 경우 생성 되는 결정 입자가 주로 입방정계형의 구조를 가지게 되고 결정 입자의 입도 분포가 균일하게 되어 결정화 반응이 완료된 후 생성된 결정을 모액과 분리할 때 여과가 원활하고 수득한 결정 입자의 흐름성이 개선된다.
본 발명에 따른 D-알룰로스 결정의 제조방법은 바람직하게는 결정화 반응이 진행되는 도중에 D-알룰로스 함유 모액에 희석 용액을 첨가하여 D-알룰로스 함유 모액의 농도를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 희석 용액의 첨가는 물(water)을 단독으로 첨가하거나, D-알룰로스 함유 모액보다 고형분 농도가 낮은 희석 모액을 단독으로 첨가하거나, 물(water)과 D-알룰로스 함유 용액을 교대로 투입하는 방식으로 수행될 수 있다. 상기 희석 용액으로 사용되는 D-알룰로스 함유 희석 모액의 고형분 농도는 희석 용액 첨가 시점에 결정화 반응이 진행 중인 D-알룰로스 함유 모액의 농도가 급격하게 변화되는 것을 억제하기 위해 10~45 브릭스(Brix)인 것이 바람직하다. 또한, 상기 물과 교대로 투입되는 D-알룰로스 함유 용액의 당류 조성은 D-알룰로스 함유 모액의 당류 조성과 동일한 것이 바람직하다. 또한, 상기 물과 교대로 투입되는 D-알룰로스 함유 용액의 고형분 농도는 첨가 시점에 결정화 반응이 진행 중인 D-알룰로스 함유 모액의 농도가 급격하게 변화되는 것을 억제하기 위해 55~80 브릭스(Brix)인 것이 바람직하다. 본 발명에서 결정화 반응이 진행되는 도중에 희석 용액을 첨가하여 D-알룰로스 함유 모액의 농도를 조절하는 이유는 결정화 반응 과정에서 신규 미세 결정이 생성되는 것을 억제하거나 형성된 미세 결정을 제거하기 위함이다. 결정화 반응 과정 중에 반응 온도, 반응 압력, 결정의 석출 등과 같은 다양한 인자에 의해 D-알룰로스 함유 모액이 불안정 영역의 과포화 상태에 있게 되면 결정핵 등과 같은 D-알룰로스 미세 결정들이 형성되고 상기 미세결정들은 결정 입자의 구조, 결정 입자의 크기, 결정 입자의 입도 분포 등에 부정적인 영향을 미친다. 본 발명에서는 결정화 반응이 진행되는 도중 신규 미세 결정이 생성되는 시점부터 결정화 반응이 종료될 때까지 희석 용액을 D-알룰로스 함유 모액에 1회 이상, 바람직하게는 복수회(예를 들어 2~4회) 첨가함으로써 D-알룰로스 함유 모액이 불안정 영역의 과포화 상태에 있는 시간을 최소화하고 대부분의 시간을 준안정 영역의 과포화 상태에 있게 하며 여러 가지 인자에 의해 신규 미세 결정이 생성되는 것을 억제하거나 형성된 미세 결정을 제거할 수 있다. 본 발명에서 결정화 반응이 진행되는 도중 신규 미세 결정이 생성되는 시점은 D-알룰로스 함유 모액 조건, 온도 구배 조건, 교반 조건, 압력 조건 등 다양한 인자에 의해 결정되며, 일반적으로 D-알룰로스 함유 모액에 D-알룰로스 종정을 첨가하고 온도 구배 하에서 결정화 반응을 진행시키는 시점부터 약 20~24 hr가 경과될 때이다. 또한, 본 발명에서는 결정화 반응이 진행되는 도중에 희석 용액을 첨가함으로써 결정 입자의 구조 및 결정 입자의 입도 분포를 제어하고 결정 입자의 석출율을 현저하게 증가시킬 수 있다. 본 발명에 따른 D-알룰로스 결정의 제조방법에서 희석 용액의 총 첨가량은 크게 제한되지 않으며 효율적인 D-알룰로스 함유 모액의 농도 조절, 원활한 미세 결정 생성 억제 내지 제거 등을 고려할 때 D-알룰로스 함유 모액 전체 중량 대비 1~10%(w/w)인 것이 바람직하고, 2~8%(w/w)인 것이 더 바람직하다.
본 발명에 따른 D-알룰로스 결정 제조방법은 바람직하게는 결정화 반응이 완료된 후 모액을 수세 및 탈수하고 건조하여 D-알룰로스 결정 입자를 수득하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 모액을 수세 및 탈수하는 과정은 원심분리, 여과지나 여과포를 이용하는 감압 여과 등 공지의 다양한 방법에 의해 구현될 수 있다. 또한, 상기 건조 과정은 열풍 건조, 스프레이드라이, 유동층 건조 등 공지의 다양한 방법에 의해 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 D-알룰로스 결정 제조방법에 의해 제조된 D-알룰로스 결정 입자는 대부분 입방정계형 결정 구조를 가지며, 비교적 균일한 입도 분포를 나타내기 때문에 흐름성이 우수하다. 또한, 본 발명에 따른 D-알룰로스 결정 제조방법에 의해 제조된 D-알룰로스 결정 입자의 평균 입도는 200~500㎛, 바람직하게는 220~460㎛이다. 또한, 본 발명에 따른 D-알룰로스 결정 제조방법에 의해 제조된 D-알룰로스 결정 입자는 D-알룰로스 순도가 98.5%(w/w) 이상(예를 들어 98.5~100%), 바람직하게는 99%(w/w) 이상(예를 들어 99~99.9%)이다.
본 발명의 방법으로 제조된 D-알룰로스 결정 입자는 대부분 입방정계형 결정 구조를 가지며, 결정 입자의 입도 분포가 균일하여 흐름성이 양호하다. 또한, 본 발명의 방법으로 D-알룰로스 결정을 제조하는 경우 결정화 수율을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 D-알룰로스 결정의 포화 곡선 및 과포화 곡선을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 제조예 6에서 수득한 D-알룰로스 결정을 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명의 제조예 13에서 수득한 D-알룰로스 결정을 현미경으로 촬영한 사진이다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 기술적 특징을 명확하게 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.
실시예 1 : D-알룰로스 함유 모액의 준비
과당 함유 용액에 플라보니프랙터 플라우티(Flavonifractor plautii) 유래 알룰로스 에피머화 효소 변이체를 첨가하고 반응시킨 후 원심분리하여 상등액을 회수하였다. 알룰로스 에피머화 효소 변이체를 이용하여 과당을 알룰로스로 전환하는 공정과 관련하여, 본 발명은 대한민국 공개특허공보 제10-2021-0132405호 및 대한민국 등록특허공보 제10-2254411호를 참조한다. 이후, 상등액을 활성탄으로 처리하여 탈색하고 이온교환수지 칼럼에 통과시켜 탈염하고 정제된 저순도 알룰로스 함유 용액을 수득하였다. 이후, 저순도 알룰로스 함유 용액을 고형분 농도가 약 50 브릭스(Brix)가 되도록 농축하고, 저순도 알룰로스 함유 농축액을 칼슘기로 치환된 이온교환수지(MUK 555)에 통과시켜 크로마토그래피 분리를 실시하고 고순도 D-알룰로스 함유 용액을 수득하였다. 이후, 고순도 D-알룰로스 함유 용액을 농축시켜 다양한 고형분 농도의 고순도 D-알룰로스 함유 모액을 준비하였다. 상기 D-알룰로스 함유 모액의 고형분 농도는 70~84 브릭스(Brix)이고, 당 조성은 고형분 전체 중량을 기준으로 알룰로스 95.6%(w/w), 과당 1.0%(w/w), 포도당 1.9%(w/w) 및 기타 1.5%(w/w)이다.
실시예 2 : D-알룰로스 종정(seed crystal)의 제조
고형분 농도가 84 브릭스(Brix)인 D-알룰로스 함유 모액을 사용하여 D-알룰로스 종정을 제조하였다. 구체적으로, 교반 및 온도 조절 시스템이 구비된 결정화기(crystallizer)에 모액을 넣고 모액의 온도를 40℃로 조절한 후, 여기에 95% 이상의 시약급 알룰로스 입자 제품을 모액의 고형분 대비 약 3 중량%의 양으로 첨가하고, 약 100 rpm의 속도로 교반하여 시약급 알룰로스 입자 제품을 고르게 분산시켰다. 이후, 교반 속도를 약 1.0~1.5 rpm으로 재설정하고 모액의 온도를 약 70 hr에 걸쳐 40℃에서 10℃로 천천히 냉각시키는 온도 구배 조건에서 결정화 반응을 진행하였다. 이후, 결정화 반응이 진행된 용액을 원심분리를 이용하여 수세 및 탈수하고 약 50℃에서 6 hr 동안 건조하여 D-알룰로스 종정을 수득하였다. 수득한 D-알룰로스 종정은 평균 결정 입자 크기가 약 150㎛이고 당류 조성은 알룰로스 함량이 99.9 중량% 이었다.
실시예 3 : D-알룰로스 결정의 포화 농도 및 과포화 농도 측정
30~80℃에서 선택되는 특정 온도 조건에서 상기 실시예 2에서 수득한 D-알룰로스 종정을 증류수에 소량씩 첨가하여 용해시키고, 더 이상 용해되지 않는 농도를 해당 온도에서의 포화 농도로 규정하였다. 또한, 실시예 2에서 수득한 D-알룰로스 종정을 이용하여 고형분 농도가 각각 83 브릭스(Brix), 89 브릭스(Brix) 및 92 브릭스(Brix)인 고순도 D-알룰로스 용액을 제조한 후 서서히 냉각시키면서 결정 입자가 형성되기 시작하는 시점의 온도를 측정하고, 각 시료의 농도를 해당 온도에서의 과포화 농도로 규정하였다. 도 1은 D-알룰로스 결정의 포화 곡선 및 과포화 곡선을 나타낸 것이다.
실시예 4 : D-알룰로스 함유 모액의 상압 조건 및 준안정 영역에서의 온도 구배에 따른 결정화 실험
다양한 고형분 농도의 D-알룰로스 함유 모액을 사용하여 알룰로스 결정을 제조하였다. 구체적으로 교반 및 온도 조절 시스템이 구비된 결정화기(crystallizer)에 모액을 넣고 모액의 온도를 특정 온도로 조절한 후, 여기에 실시예 2에서 수득한 D-알룰로스 종정을 모액의 고형분 대비 소정의 양으로 첨가하고, 약 100 rpm의 속도로 교반하여 D-알룰로스 종정을 고르게 분산시켰다. 이후, 교반 속도를 약 1.0~1.5 rpm으로 재설정하고 상압 조건에서 모액을 소정의 시간에 걸쳐 냉각시키거나 소정의 시간 동안 냉각된 온도로 유지시켜 준안정 영역에 해당하는 온도 구배 조건으로 결정화 반응을 진행하였다. 이후, 결정화 반응이 진행된 용액을 원심분리를 이용하여 수세 및 탈수하고 약 50℃에서 6 hr 동안 건조하여 D-알룰로스 결정을 수득하였다. 하기 표 1 및 표 2에 실시예 4에서 사용한 결정화 반응 조건 및 수득한 D-알룰로스 결정의 분석 결과를 나타내었다. 도 2는 본 발명의 제조예 6에서 수득한 D-알룰로스 결정을 현미경으로 촬영한 사진이다. 도 2에서 보이는 바와 같이 알룰로스 함유 모액에 종정을 첨가하고 상압에서 준안정 영역(metastable zone)의 온도 구배 조건으로 냉각하면서 결정화를 유도하는 경우 긴 침상형 구조를 가진 결정이 생성되고 결정화 과정에서 성장된 결정이 깨져 미분화되고 그로 인해 입도 분포가 불균일하였다. 제조예 6에서 결정화 반응이 완료된 용액을 원심분리 등을 통해 여과할 때 미분화된 결정 입자로 인해 여과포에 촘촘한 막이 형성되고 여과 성능이 현저하게 떨어졌다. 또한, 제조예 6에서 제조한 D-알룰로스 결정 입자는 미세 결정 입자가 다수 존재하고 입도 분포가 불균일하여 건조 후에도 흐름성이 불량하였다.
항목 구분 제조예 1 제조예 2 제조예 3
결정화 반응 조건 모액 고형분 농도 (Brix) 80.4 80.3 80.3
종정 첨가량(모액 고형분 대비, 중량%) 2.0 0.3 0.3
압력(atm) 1 1 1
온도 구배(℃) 46.5→44.5 38.0→32.0 38.0→37.0
반응 시간(hr) 72 72 72
결정 입자 분석 결과 평균 입도(㎛) 195.0 147.5 250.0
입도 표준편차(㎛) 115.0 125.0 110.0
석출율(%) 21.2 17.3 29.0
결정 입자 형상 주로 긴 침상형 주로 긴 침상형 주로 긴 침상형
항목 구분 제조예 4 제조예 5 제조예 6
결정화 반응 조건 모액 고형분 농도 (Brix) 82.3 80.7 80.8
종정 첨가량(모액 고형분 대비, 중량%) 0.3 1.0 0.3
압력(atm) 1 1 1
온도 구배(℃) 48.5→39.5 42.0 45.0→34.0
반응 시간(hr) 72 72 72
결정 입자 분석 결과 평균 입도(㎛) 305.0 300.0 185.0
입도 표준편차(㎛) 150.0 140.0 120.0
석출율(%) 48.2 46.2 38.7
결정 입자 형상 주로 긴 침상형 주로 긴 침상형 주로 긴 침상형
실시예 5 : D-알룰로스 함유 모액의 준안정 영역에서의 온도 구배에 따른 결정화 과정에서 압력 조건 설정을 위한 예비 실험
교반, 온도 조절 및 압력 조절 시스템이 구비된 결정화기(crystallizer)에 고형분 농도가 81 브릭스(Brix)인 D-알룰로스 함유 모액을 넣고 모액의 온도를 45℃로 조절한 후, 여기에 실시예 2에서 수득한 D-알룰로스 종정을 모액의 고형분 대비 0.5 중량%의 양으로 첨가하고, 약 100 rpm의 속도로 교반하여 D-알룰로스 종정을 고르게 분산시켰다. 이후, 교반 속도를 약 1.0~1.5 rpm으로 재설정하고 결정화기의 내부 압력을 250 밀리바(mb)에서부터 50 밀리바(mb)까지 조금씩 감압을 하면서 알룰로스 함유 모액 내 결정 형성을 관찰하였다. 결정화기의 내부 압력이 100 밀리바(mb) 이하인 진공에 가까운 조건에서 D-알룰로스 결정의 성장이 시작되면서 백화 현상이 나타났다.
실시예 6 : D-알룰로스 함유 모액의 감압 조건 및 준안정 영역에서의 온도 구배에 따른 결정화 실험
다양한 고형분 농도의 D-알룰로스 함유 모액을 사용하여 알룰로스 결정을 제조하였다. 구체적으로 교반, 온도 조절 및 압력 조절 시스템이 구비된 결정화기(crystallizer)에 모액을 넣고 모액의 온도를 특정 온도로 조절한 후, 여기에 실시예 2에서 수득한 D-알룰로스 종정을 모액의 고형분 대비 소정의 양으로 첨가하고, 약 100 rpm의 속도로 교반하여 D-알룰로스 종정을 고르게 분산시켰다. 이후, 교반 속도를 약 1.0~1.5 rpm으로 재설정하고 소정 범위로 감압 조건을 조절하면서 모액을 소정의 시간에 걸쳐 냉각시키거나 소정의 시간 동안 냉각된 온도로 유지시켜 준안정 영역에 해당하는 온도 구배 조건으로 결정화 반응을 진행하였다. 이후, 결정화 반응이 진행된 용액을 원심분리를 이용하여 수세 및 탈수하고 약 50℃에서 6 hr 동안 건조하여 D-알룰로스 결정을 수득하였다. 하기 표 3 및 표 4에 실시예 6에서 사용한 결정화 반응 조건 및 수득한 D-알룰로스 결정의 분석 결과를 나타내었다.
항목 구분 제조예 7 제조예 8 제조예 9
결정화 반응 조건 모액 고형분 농도 (Brix) 82.6 81.1 82.4
종정 첨가량(모액 고형분 대비, 중량%) 0.3 1.0 1.0
압력(밀리바, mb) 50~60 50~60 50~60
온도 구배(℃) 48.0→47.0 44.0→43.0 48.0→47.0
반응 시간(hr) 48 48 48
결정 입자 분석 결과 평균 입도(㎛) 455.0 445.0 335.0
입도 표준편차(㎛) 75.0 95 60.0
석출율(%) 6.6 10.3 14.0
결정 입자 형상 주로 입방정계형 주로 입방정계형 주로 입방정계형
항목 구분 제조예 10 제조예 11 제조예 12
결정화 반응 조건 모액 고형분 농도 (Brix) 80.7 80.8 80.4
종정 첨가량(모액 고형분 대비, 중량%) 1.0 3.0 2.0
압력(밀리바, mb) 50~60 50~60 50~60
온도 구배(℃) 46.0→45.0 46.0→45.0 46.0→45.0
반응 시간(hr) 72 72 72
결정 입자 분석 결과 평균 입도(㎛) 325.0 275.0 275.0
입도 표준편차(㎛) 80.0 92.5 80.0
석출율(%) 16.7 18.2 28.4
결정 입자 형상 주로 입방정계형 주로 입방정계형 주로 입방정계형
실시예 7 : D-알룰로스 함유 모액의 감압 조건, 준안정 영역에서의 온도 구배 및 희석 용액 첨가에 따른 결정화 실험
다양한 고형분 농도의 D-알룰로스 함유 모액을 사용하여 알룰로스 결정을 제조하였다. 구체적으로 교반, 온도 조절 및 압력 조절 시스템이 구비된 결정화기(crystallizer)에 모액을 넣고 모액의 온도를 특정 온도로 조절한 후, 여기에 실시예 2에서 수득한 D-알룰로스 종정을 모액의 고형분 대비 소정의 양으로 첨가하고, 약 100 rpm의 속도로 교반하여 D-알룰로스 종정을 고르게 분산시켰다. 이후, 교반 속도를 약 1.0~1.5 rpm으로 재설정하고 소정 범위로 감압 조건을 조절하면서 모액을 소정의 시간에 걸쳐 냉각시키거나 소정의 시간 동안 냉각된 온도로 유지시켜 준안정 영역에 해당하는 온도 구배 조건으로 결정화 반응을 진행하였다. 또한, 결정화 반응이 진행되는 도중 미세 결정이 생성되는 시점(결정화 반응 시간이 약 24 hr일 때임)부터 결정화 반응이 종료될 때까지 희석 용액으로 증류수 단독, 고형분 함량이 35 브릭스(Brix)인 D-알룰로스 함유 희석 모액 단독, 또는 증류수 및 고형분 함량이 70 브릭스(Brix)인 D-알룰로스 함유 모액의 조합을 일정 시간 간격으로 총 2회 첨가하여 모액의 농도를 조절하고 신규 결정핵 생성을 억제하였다. 상기 희석 용액의 전체 첨가량은 결정화 반응을 위해 사용된 D-알룰로스 함유 모액 전체 중량 대비 5%(w/w) 이었다. 이후, 결정화 반응이 진행된 용액을 원심분리를 이용하여 수세 및 탈수하고 약 50℃에서 6 hr 동안 건조하여 D-알룰로스 결정을 수득하였다. 하기 표 5에 실시예 7에서 사용한 결정화 반응 조건 및 수득한 D-알룰로스 결정의 분석 결과를 나타내었다. 도 3은 본 발명의 제조예 13에서 수득한 D-알룰로스 결정을 현미경으로 촬영한 사진이다. 도 3에서 보이는 바와 같이 알룰로스 함유 모액에 종정을 첨가하고 감압 조건에서 준안정 영역(metastable zone)의 온도 구배 조건으로 냉각하면서 결정화를 유도하고 결정화 반응이 진행되는 중간에 희석 용액을 첨가하여 모액의 농도를 조절하고 신규 미세 결정 생성을 억제하는 경우 입방 정계형 구조를 가진 결정이 생성되고 결정화 과정에서 성장된 결정이 깨지는 현상이 최소화되어 입도 분포가 균일하였다. 제조예 13에서 결정화 반응이 완료된 용액을 원심분리 등을 통해 여과할 때 여과 성능의 저하가 거의 발생하지 않았다. 또한, 제조예 13에서 제조한 D-알룰로스 결정 입자는 평균 입도가 적정 범위에 있고 입도 분포가 균일하여 건조 후에도 흐름성이 양호하였다.
항목 구분 제조예 10 제조예 11 제조예 12
결정화 반응 조건 모액 고형분 농도 (Brix) 81.9 80.1 80.5
종정 첨가량(모액 고형분 대비, 중량%) 0.3 0.3 0.25
압력(밀리바, mb) 50~70 50~70 50~70
온도 구배(℃) 48.6→46.0 47.0→45.0 51.5→49.5
희석 용액 투입 조건 증류수 단독 투입 고형분 함량이 35 브릭스(Brix)인 D-알룰로스 함유 희석 모액 투입 증류수 및 고형분 함량이 70 브릭스(Brix)인 D-알룰로스 함유 모액을 교대로 투입
반응 시간(hr) 72 72 72
결정 입자 분석 결과 평균 입도(㎛) 245.0 195.0 220.0
입도 표준편차(㎛) 85.0 75.0 80.0
석출율(%) 90.4 74.1 99.0
결정 입자 형상 주로 입방정계형 주로 입방정계형 주로 입방정계형
이상에서와 같이 본 발명을 상기의 실시예를 통해 설명하였지만 본 발명이 반드시 여기에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 본 발명에 첨부된 특허청구의 범위에 속하는 모든 실시 형태를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. D-알룰로스 함유 모액에 D-알룰로스 종정을 첨가한 후, D-알룰로스 함유 모액의 온도를 최초 온도 Ti에서 최종 온도 Tf로 감소시키는 온도 구배 하에서 결정화 반응을 진행시키는 단계를 포함하는 방법으로서,
    상기 온도 구배는 준안정 영역(metastable zone)의 과포화 상태에 해당하는 온도 조건을 포함하고,
    상기 결정화 반응은 10~100 밀리바(mb)의 감압 조건에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 D-알룰로스 결정 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 결정화 반응이 진행되는 도중에 D-알룰로스 함유 모액에 희석 용액을 첨가하여 D-알룰로스 함유 모액의 농도를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 D-알룰로스 결정 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 D-알룰로스 함유 모액의 최초 고형분 농도는 70~86 브릭스(Brix)이고, 상기 D-알룰로스 함유 모액의 최초 D-알룰로스 함량은 모액 내 당류 전체 중량을 기준으로 94~99 중량%인 것을 특징으로 하는 D-알룰로스 결정 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 D-알룰로스 종정 첨가량은 D-알룰로스 함유 모액의 고형분 전체 중량 대비 0.1~5.0%(w/w)인 것을 특징으로 하는 D-알룰로스 결정 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 최초 온도 Ti는 30~55℃에서 선택되고, 최종 온도 Tf는 최초 온도 Ti보다 1~15℃ 낮은 온도에서 선택되는 것을 특징으로 하는 D-알룰로스 결정 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 결정화 반응 시간은 35~100 hr에서 선택되는 것을 특징으로 하는 D-알룰로스 결정 제조방법.
  7. 제2항에 있어서, 상기 희석 용액의 첨가는 물(water)을 단독으로 첨가하거나, D-알룰로스 함유 모액보다 고형분 농도가 낮은 희석 모액을 단독으로 첨가하거나, 물(water)과 D-알룰로스 함유 용액을 교대로 투입하는 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 D-알룰로스 결정 제조방법.
  8. 제2항에 있어서, 상기 희석 용액의 첨가는 미세 결정이 생성되는 시점부터 결정화 반응이 종료될 때까지 복수회로 이루어지는 것을 특징으로 하는 D-알룰로스 결정 제조방법.
  9. 제2항에 있어서, 상기 희석 용액의 총 첨가량은 D-알룰로스 함유 모액 전체 중량 대비 1~10%(w/w)인 것을 특징으로 하는 D-알룰로스 결정 제조방법.
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